电路基础与集成电子技术-46双极型半导体晶体管教学课件

双极型晶体管是由两种载流子参与导电的半导体器双极型晶体管是由两种载流子参与导电的半导体器件，它由两个件，它由两个 PN 结组合而成，是一种电流控制电流源结组合而成，是一种电流控制电流源器件（器件（CCCS）。晶体管英文称为晶体管英文称为Transister，在中文中称为晶体管或，在中文中称为晶体管或半导体晶体管。晶体管有两大类型半导体晶体管。晶体管有两大类型:一是一是双极型双极型晶体管晶体管(BJT)，二是二是场效应场效应晶体管晶体管(FET)。场效应型晶体管仅由一种载流子参与导电，是一种场效应型晶体管仅由一种载流子参与导电，是一种电压控制电流源器件（电压控制电流源器件（VCCS）。4章章 半导体二极管和晶体管半导体二极管和晶体管 2019.02图图4.6.1 晶体管的两种结构晶体管的两种结构4.6.1 双极型晶体管的结构双极型晶体管的结构NPN型PNP型这是基极b这是发射极e这是集电极c这是发射结Je这是集电结Jc 晶体管符号中的短粗线代表基极，发射极的箭头方向，晶体管符号中的短粗线代表基极，发射极的箭头方向，代表发射极电流的实际方向。代表发射极电流的实际方向。双极型晶体管有两种结构，双极型晶体管有两种结构，NPN型和型和PNP型，见图型，见图4.6.1。4章章 半导体二极管和晶体管半导体二极管和晶体管 2019.024.6.2 双极型晶体管的电流分配关系双极型晶体管的电流分配关系 双双极极型型晶晶体体管管在在工工作作时时一一定定要要加加上上适适当当的的直直流流偏偏置置电电压压。若若在在放放大大工工作作状状态态：发发射射结结加加正正向向电电压压，集集电电结结加加反反向向电电压压。现现以以 NPN型型晶晶体体管管的的放放大大状状态态为为例例，来来说说明明晶晶体体管内部的电流关系。管内部的电流关系。4.6.2.1 晶体管内部载流子的运动晶体管内部载流子的运动 在在工工艺艺上上要要保保证证发发射射区区掺掺杂杂浓浓度度远远大大于于基基区区，基基区区制制作作的的十十分分薄薄，载载流流子子渡渡越越基基区区的的时时间间可可以以忽忽略略。这这样样在在分分析问题时可重点着眼主要载流子的运动。析问题时可重点着眼主要载流子的运动。4章章 半导体二极管和晶体管半导体二极管和晶体管 2019.02IENIEPIEICIBIBN 注意图中画的是载流子的运动方向，空穴流与电流注意图中画的是载流子的运动方向，空穴流与电流方向相同；电子流与电流方向相反，为此可确定三个电方向相同；电子流与电流方向相反，为此可确定三个电极的电流。极的电流。ICN图图4.6.2 晶体管中载流子的运动晶体管中载流子的运动如何保证注入的载流如何保证注入的载流子尽可能到达集电区？子尽可能到达集电区？ICBO4章章 半导体二极管和晶体管半导体二极管和晶体管 2019.02 发射极电流：发射极电流：IE=IC+IB 4.6.2.2 晶体管的电流放大系数晶体管的电流放大系数 从三个电极看，流进去的电流等于流出来的电流。从三个电极看，流进去的电流等于流出来的电流。IENIEICIBIBNICN 定义晶体管的定义晶体管的电流放大系数：电流放大系数：称为共射组态电流放大系数称为共射组态电流放大系数 4章章 半导体二极管和晶体管半导体二极管和晶体管 2019.024.6.3 晶体管的三种组态晶体管的三种组态 双极型晶体管有三个电极，其中两个可以作为输入电极双极型晶体管有三个电极，其中两个可以作为输入电极,两个可以作为输出电极，这样必然有一个电极是公共电极。两个可以作为输出电极，这样必然有一个电极是公共电极。三种接法也称三种组态。三种接法也称三种组态。图图4.6.3 晶体管的三种组态晶体管的三种组态共发射极接法，发射极作为公共电极，用共发射极接法，发射极作为公共电极，用CE表示；表示；共集电极接法，集电极作为公共电极，用共集电极接法，集电极作为公共电极，用CC表示；表示；共基极接法，基极作为公共电极，用共基极接法，基极作为公共电极，用CB表示。表示。4章章 半导体二极管和晶体管半导体二极管和晶体管 2019.02图图4.6.3 晶体管的三种组态晶体管的三种组态共源极接法，源极作为公共电极，用共源极接法，源极作为公共电极，用CS表示；表示；共漏极接法，漏极作为公共电极，用共漏极接法，漏极作为公共电极，用CD表示；表示；共栅接法，栅极作为公共电极，用共栅接法，栅极作为公共电极，用CG表示。表示。4章章 半导体二极管和晶体管半导体二极管和晶体管 2019.02 4.6.4 晶体管的特性曲线晶体管的特性曲线 这里，这里，B表示输入电极，表示输入电极，C表示输出电极，表示输出电极，E表示公共电表示公共电极。所以这两条曲线是共发射极接法的特性曲线。极。所以这两条曲线是共发射极接法的特性曲线。iB是输入电流，是输入电流，uBE是输入电压是输入电压，加在，加在B、E两电极之间。两电极之间。iC是输出电流，是输出电流，uCE是输出电压是输出电压，从，从C、E两电极取出。两电极取出。输入特性曲线输入特性曲线 iB=f(uBE)uCE=const 输出特性曲线输出特性曲线 iC=f(uCE)iB=const本节介绍共发射极接法晶体管的特性曲线，即本节介绍共发射极接法晶体管的特性曲线，即7/12/2024 简单地看，输入特性曲线类似于发射结的伏安特简单地看，输入特性曲线类似于发射结的伏安特性曲线，现讨论性曲线，现讨论iB和和uBE之间的函数关系之间的函数关系。因为有集电。因为有集电极电压的影响，极电压的影响，它与一个单独的它与一个单独的PN结的伏安特性曲线结的伏安特性曲线不同。不同。为了排除为了排除uCE变化的影响，在讨论输入特性曲线变化的影响，在讨论输入特性曲线时，应使时，应使uCE=const(常数常数)。4.6.4.1 输入特性曲线输入特性曲线4章章 半导体二极管和晶体管半导体二极管和晶体管 2019.02 共发射极接法的输入特性曲线见图共发射极接法的输入特性曲线见图4.6.4。其中。其中UCE=0V的那一条相当于发射结的正向特性曲线。当的那一条相当于发射结的正向特性曲线。当UCE1V时，时，特性曲线将向右稍微移特性曲线将向右稍微移动一些。但动一些。但UCE再增加时，再增加时，曲线右移很不明显。曲线右移很不明显。输入特性曲线的分区：输入特性曲线的分区：死区死区 非线性区非线性区近似线性区近似线性区图图4.6.4 共射接法输入特性曲线共射接法输入特性曲线4章章 半导体二极管和晶体管半导体二极管和晶体管 2019.02 当温度上升时晶体管的发射结压降也象二极管的正当温度上升时晶体管的发射结压降也象二极管的正向压降一样要减小，变化规律为温度每升高向压降一样要减小，变化规律为温度每升高1，UBE减减小（小（1.92.5）mV，这将使输入特性曲线向左移动。，这将使输入特性曲线向左移动。2050UBE1UBE2IB4章章 半导体二极管和晶体管半导体二极管和晶体管 2019.02 共发射极接法的输出特性曲线是以共发射极接法的输出特性曲线是以IB为参变量的一族特为参变量的一族特性曲线。性曲线。图图4.6.5 共射接法输出特性曲线共射接法输出特性曲线4.6.4.2 输出特性曲线输出特性曲线 当当UCE稍增大时，发射稍增大时，发射结虽处于正向电压之下，但结虽处于正向电压之下，但集电结反偏电压很小，集电集电结反偏电压很小，集电区收集电子的能力很区收集电子的能力很弱，弱，IC主要由主要由UCE决定。决定。现以其中任何一条加以说明，当现以其中任何一条加以说明，当UCE=0 V时，因集电极时，因集电极无收集作用，无收集作用，IC=0。4章章 半导体二极管和晶体管半导体二极管和晶体管 2019.02运动到集电结的电子基本上运动到集电结的电子基本上都可以被集电区收集，此后都可以被集电区收集，此后UCE再增加，电流也没有明再增加，电流也没有明显的增加，特性曲线进入与显的增加，特性曲线进入与UCE轴基本平行的区域轴基本平行的区域 。当当UCE增加到使集电结反偏电压较大时，如增加到使集电结反偏电压较大时，如 UCE 1 V、UBE 0.7 V图图4.6.5 共射接法输出特性曲线共射接法输出特性曲线4章章 半导体二极管和晶体管半导体二极管和晶体管 2019.02 输出特性曲线可以分为三个区域输出特性曲线可以分为三个区域:饱和区iC受受uCE显著控制的区域，该区域内显著控制的区域，该区域内uCE的的 数值较小，一般数值较小，一般UCE0.7 V(硅管硅管)。此时。此时 发射结正偏，发射结正偏，集电结正偏集电结正偏或反偏电压很小或反偏电压很小。截止区iC接近零的区域，相当接近零的区域，相当iB=0的曲线的下方。的曲线的下方。此时，此时，发射结反偏，发射结反偏，集电结反偏。集电结反偏。放大区iC平行于平行于uCE轴的区域，曲线基本平行轴的区域，曲线基本平行等距。等距。此时，此时，发射结正发射结正偏，偏，集电结反偏，集电结反偏，电压电压UCE大于大于0.7 V(硅管硅管)。图图4.6.5 输出特性曲线的分区输出特性曲线的分区4章章 半导体二极管和晶体管半导体二极管和晶体管 2019.02 晶体管的参数分为三大类晶体管的参数分为三大类:直流参数直流参数 交流参数交流参数 极限参数极限参数1.集电结反向饱和电流集电结反向饱和电流ICBO 4.6.5.1 直流参数直流参数4.6.5 晶体管的参数晶体管的参数 ICBO的下标的下标CB代表集电极和基极，代表集电极和基极，O是是Open的字头，的字头，代表第三个电极代表第三个电极E开路。它是发射极开路时集电结的反向饱开路。它是发射极开路时集电结的反向饱和电流。和电流。4章章 半导体二极管和晶体管半导体二极管和晶体管 2019.022.晶体管集射极穿透电流晶体管集射极穿透电流ICEO ICEO为基极开路时，从集电极到发射极的电流，因其贯为基极开路时，从集电极到发射极的电流，因其贯穿整个晶体管，故称为穿整个晶体管，故称为穿透电流穿透电流，即输出特性曲线中，即输出特性曲线中IB=0那那条曲线所对应的条曲线所对应的IC数值。数值。ICEO与与ICBO有如下关系有如下关系 ICBO、ICEO由少子的运动产生，故随温度上升而增加。由少子的运动产生，故随温度上升而增加。一般温度每增加一般温度每增加10，ICBO、ICEO增加增加1倍。这将造成输出倍。这将造成输出特性曲线上移。特性曲线上移。4章章 半导体二极管和晶体管半导体二极管和晶体管 2019.02 4.6.5.2 交流参数交流参数1.共发射极交流电流放大系数共发射极交流电流放大系数 可在共射输出特性曲线可在共射输出特性曲线上，通过垂直于横轴的上，通过垂直于横轴的直线求取直线求取 iC/iB，具体，具体方法如图方法如图4.6.6所示。所示。图图4.6.6 在输出特性曲线上求取在输出特性曲线上求取Q4章章 半导体二极管和晶体管半导体二极管和晶体管 2019.022.特征频率特征频率fT3.共射截止频率共射截止频率f 晶体管的晶体管的 值与工作频率有关。由于结电容的影响，当值与工作频率有关。由于结电容的影响，当信号频率增加时，晶体管的信号频率增加时，晶体管的 将会下降。将会下降。下降到下降到1时所对应时所对应的频率称为晶体管的特征频率，用的频率称为晶体管的特征频率，用fT表示。表示。随着频率的增加，随着频率的增加，将会下降。将会下降。下降到下降到 0/(0为低为低频时的数值频时的数值)所对应的频率称为晶体管的共射截止频率所对应的频率称为晶体管的共射截止频率f。4章章 半导体二极管和晶体管半导体二极管和晶体管 2019.021.集电极最大允许电流集电极最大允许电流ICM 当当集集电电极极电电流流增增加加时时，就就要要下下降降，当当 值值下下降降到到线线性性放放大大区区 值值的的7030时时，所所对对应应的的集集电电极极电电流流称称为为集集电电极极最最大大允允许许电电流流ICM。可可见见，当当ICICM时时，并并不不表表示示晶晶体体管管会会损损坏。但电流放大能力明显减弱。坏。但电流放大能力明显减弱。4.6.5.3 极限参数极限参数4章章 半导体二极管和晶体管半导体二极管和晶体管 2019.02 集电极电流通过集电结时所产生的功耗集电极电流通过集电结时所产生的功耗 PCM=ICUCBICUCE，因发射结正偏，因发射结正偏，呈低阻，所以功耗主呈低阻，所以功耗主 要集中在集电结上。要集中在集电结上。在计算时往往用在计算时往往用UCE 取代取代UCB。2.集电极最大允许功率损耗集电极最大允许功率损耗PCM图图4.6.8 输出特性曲线的安全工作区输出特性曲线的安全工作区4章章 半导体二极管和晶体管半导体二极管和晶体管 2019.02 反向击穿电压表示晶体管电极间承受反向电压的能力，反向击穿电压表示晶体管电极间承受反向电压的能力，其测试时的原理电路如图其测试时的原理电路如图4 4.6.7所示。所示。U(BR)CEOU(BR)CBO图图4.6.7 晶体管击穿电压的测试电路晶体管击穿电压的测试电路U(BR)CESU(BR)CER3.反向击穿电压反向击穿电压U(BR)EBO4章章 半导体二极管和晶体管半导体二极管和晶体管 2019.02 1.U(BR)CBO发射极开路时的集电结击穿电压。下标发射极开路时的集电结击穿电压。下标BR代表击穿之意，是代表击穿之意，是Breakdown的字头，的字头，CB代表集电极和代表集电极和基极，基极，O代表第三个电极代表第三个电极E开路。开路。2.U(BR)EBO集电极开路时发射结的击穿电压。集电极开路时发射结的击穿电压。3.U(BR)CEO基极开路集电极和发射极间的击穿电压。基极开路集电极和发射极间的击穿电压。U(BR)CBOU(BR)CEO 对于对于U(BR)CER表示表示BE间接有电阻，间接有电阻，U(BR)CES表示表示BE间是间是短路的。几个击穿电压在大小上有如下关系短路的。几个击穿电压在大小上有如下关系 U(BR)CBOU(BR)CESU(BR)CERU(BR)CEOU(BR)EBOU(BR)EBO4章章 半导体二极管和晶体管半导体二极管和晶体管 2019.02 双极型晶体管的参数 注：注：*为为 f 参参 数数型型 号号 PCM mW ICM mA V V V IC BO A f T MHz3AX31D 125 125 20 12 6*83BX31C 125 125 40 24 6*83CG101C 100 30 450.1 1003DG123C 500 50 40 300.353DD101D 5A 5A 300 2504 2mA3DK100B 100 30 25 15 0.1 3003DKG23250W 30A 400 325 8U(BR)CBOU(BR)CEOU(BR)EBO7/12/2024国家标准对半导体三极管的命名如下国家标准对半导体三极管的命名如下:3 D G 110 B 第二位：第二位：A锗锗PNP管、管、B锗锗NPN管、管、C硅硅PNP管、管、D硅硅NPN管管 第三位：第三位：X低频小功率管、低频小功率管、D低频大功率管、低频大功率管、G高频小功率管、高频小功率管、A高频大功率管、高频大功率管、K开关管开关管用字母表示材料用字母表示材料用字母表示器件的种类用字母表示器件的种类用数字表示同种器件型号的序号用数字表示同种器件型号的序号用字母表示同一型号中的不同规格用字母表示同一型号中的不同规格三极管三极管4.6.6 晶体管的型号晶体管的型号7/12/2024图图4.6.10(a)小、中功率晶体管图片小、中功率晶体管图片(金属圆壳封装金属圆壳封装)4.6.7 半导体二极管和晶体管的封装半导体二极管和晶体管的封装4章章 半导体二极管和晶体管半导体二极管和晶体管 2019.02图图4.6.13(b)小、中功率晶体管图片小、中功率晶体管图片(塑封塑封)4章章 半导体二极管和晶体管半导体二极管和晶体管 2019.02图图4.6.13(c)大功率晶体管图片大功率晶体管图片4章章 半导体二极管和晶体管半导体二极管和晶体管 2019.02 双极型晶体管管 场效应晶体管结构结构 NPN型型 结型耗尽型结型耗尽型 N沟道沟道 P沟道沟道 PNP型型 绝缘栅增强型绝缘栅增强型 N沟道沟道 P沟道沟道 绝缘栅耗尽型绝缘栅耗尽型 N沟道沟道 P沟道沟道 C与与E不可倒置使用不可倒置使用 D与与S有的型号可倒置使用有的型号可倒置使用载流子载流子 多子扩散少子漂移多子扩散少子漂移 多子漂移多子漂移输入量输入量 电流输入电流输入 电压输入电压输入控制控制 电流控制电流源电流控制电流源CCCS()电压控制电流源电压控制电流源VCCS(gm)4.6.8 双极型和场效应晶体管的比较双极型和场效应晶体管的比较表表4.3 双极型和场效应晶体管特性的比较双极型和场效应晶体管特性的比较 双极型晶体管 场效应晶体管噪声噪声 较大较大 较小较小温度特性温度特性 受温度影响较大受温度影响较大 较小，可有零温度系数点较小，可有零温度系数点输入电阻输入电阻 几十到几千欧姆几十到几千欧姆 几兆欧姆以上几兆欧姆以上静电影响静电影响 不受静电影响不受静电影响 易受静电影响易受静电影响集成工艺集成工艺 不易大规模集成不易大规模集成 适宜大规模和超大规模集成适宜大规模和超大规模集成续表续表4.3 双极型和场效应晶体管特性的比较双极型和场效应晶体管特性的比较4章章 半导体二极管和晶体管半导体二极管和晶体管 2019.02第第4章章 小小 结结 本章在介绍半导体基本知识的基础上，重点阐述了半导本章在介绍半导体基本知识的基础上，重点阐述了半导体二极管、场效应晶体管体二极管、场效应晶体管(FET)和双极型晶体管和双极型晶体管(BJT)的结的结构、工作原理、主要特性曲线和参数等。构、工作原理、主要特性曲线和参数等。1.绝对零度时，本征半导体中没有载流子。温度高于绝对零度绝对零度时，本征半导体中没有载流子。温度高于绝对零度时，将发生本征激发，产生两种载流子，即自由电子和空穴，时，将发生本征激发，产生两种载流子，即自由电子和空穴，它们总是成对出现，称为电子空穴对。电子空穴对的浓度随它们总是成对出现，称为电子空穴对。电子空穴对的浓度随温度的升高而增加，在固定温度下不变。温度的升高而增加，在固定温度下不变。2.杂质半导体有杂质半导体有N型和型和P型两种，型两种，N型半导体中的多子为自由电型半导体中的多子为自由电子，子，P型半导体中的多子为空穴。多数载流子由掺杂产生，型半导体中的多子为空穴。多数载流子由掺杂产生，其浓度由掺杂浓度决定；少数载流子由本征激发产生，其浓其浓度由掺杂浓度决定；少数载流子由本征激发产生，其浓度与温度有关，这一点导致度与温度有关，这一点导致BJT的很多参数与温度有关，产的很多参数与温度有关，产生热不稳定性。生热不稳定性。4章章 半导体二极管和晶体管半导体二极管和晶体管 2019.023.将将P型和型和N型半导体紧密结合在一起，在它们的交界面处，型半导体紧密结合在一起，在它们的交界面处，发生两种形式载流子的运动，即多子的扩散运动和少子的漂发生两种形式载流子的运动，即多子的扩散运动和少子的漂移运动，它们达到动态平衡时，形成稳定的空间电荷区，即移运动，它们达到动态平衡时，形成稳定的空间电荷区，即PN结。结。PN结的最主要特性就是单向导电性。结的最主要特性就是单向导电性。4.二极管的伏安特性曲线分为正向和反向两个区域，当正向电二极管的伏安特性曲线分为正向和反向两个区域，当正向电压小于开启电压时，流过二极管的电流近似为压小于开启电压时，流过二极管的电流近似为0；随后，；随后，UD稍有增加，电流稍有增加，电流ID迅速增加。在特性的反向区，反向电流等迅速增加。在特性的反向区，反向电流等于反向饱和电流，但当反向电压达到击穿电压值时，二极管于反向饱和电流，但当反向电压达到击穿电压值时，二极管发生反向击穿。击穿后，电流在很大范围内变化时，反向击发生反向击穿。击穿后，电流在很大范围内变化时，反向击穿电压几乎不变，利用这一特性可以制成硅稳压管。穿电压几乎不变，利用这一特性可以制成硅稳压管。4章章 半导体二极管和晶体管半导体二极管和晶体管 2019.025.二极管是非线性元件，在分析含二极管的电路时，常用某种二极管是非线性元件，在分析含二极管的电路时，常用某种模型代替，主要有开关模型、固定正向电压降模型、折线化模型代替，主要有开关模型、固定正向电压降模型、折线化模型和小信号模型。不同的应用场合应使用不同的模型。模型和小信号模型。不同的应用场合应使用不同的模型。6.二极管的主要参数有最大整流电流二极管的主要参数有最大整流电流IF、反向击穿电压、反向击穿电压UBR、最大反向工作电压最大反向工作电压URM、反向电流、反向电流IR 和正向压降和正向压降UF 等。等。7.场效应管为电压控制电流源器件场效应管为电压控制电流源器件(VCCS)。即用栅源电压来。即用栅源电压来控制沟道宽度，改变漏极电流。场效应管为单极型器件，仅控制沟道宽度，改变漏极电流。场效应管为单极型器件，仅一种载流子一种载流子(多子多子)导电，热稳定性好。场效应管有结型和绝导电，热稳定性好。场效应管有结型和绝缘栅型两种结构，每种又分为缘栅型两种结构，每种又分为N沟道和沟道和P沟道两种。绝缘栅沟道两种。绝缘栅型场效应管（型场效应管（MOSFET）又分为增强型和耗尽型两种形式。）又分为增强型和耗尽型两种形式。4章章 半导体二极管和晶体管半导体二极管和晶体管 2019.028.场效应管的漏极特性曲线可分为可变电阻区、截止区和恒场效应管的漏极特性曲线可分为可变电阻区、截止区和恒流区，在放大电路中，应使其工作在恒流区。场效应管的流区，在放大电路中，应使其工作在恒流区。场效应管的参数也分为直流参数参数也分为直流参数(UGS(th)或或 UGS(off)、IDSS)交流参数交流参数(gm)和极限参数和极限参数(IDM、PDM)三类。跨导三类。跨导gm反映了场效应管的反映了场效应管的电压控制作用。电压控制作用。9.为保证晶体管工作在放大状态，应使其发射结正偏，集电为保证晶体管工作在放大状态，应使其发射结正偏，集电结反偏。晶体管的参数主要分为直流参数、交流参数和极结反偏。晶体管的参数主要分为直流参数、交流参数和极限参数三类。限参数三类。10.10.双极型半导体晶体管（双极型半导体晶体管（BJT）有两种载流子参与导电，）有两种载流子参与导电，属电流控制电流源器件（属电流控制电流源器件（CCCS），），BJT有有NPN和和PNP两两种结构类型。其工艺特点为：基区极薄且掺杂浓度低，发种结构类型。其工艺特点为：基区极薄且掺杂浓度低，发射区掺杂浓度高，集电区掺杂浓度低。晶体管的输出特性射区掺杂浓度高，集电区掺杂浓度低。晶体管的输出特性曲线可以分为饱和、截止、放大三个区域。曲线可以分为饱和、截止、放大三个区域。4章章 半导体二极管和晶体管半导体二极管和晶体管 2019.02